CN104618029B - 一种应用于twdm‑pon系统的可调光接收机及其可调滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于TWDM‑PON系统的可调光接收机及其可调滤波器，包括设置于封装盒体内的入射准直装置、F‑P腔滤波标准具、驱动装置、APD芯片，F‑P腔滤波标准具由两个或两个以上的自由空间光谱宽度相同的F‑P腔滤波标准具组合而成；光信号由准直装置进入F‑P腔滤波标准具，驱动装置调节每个F‑P腔滤波标准具的工作波长达成一致，并且调节F‑P腔滤波标准具至TWDM‑PON下行信号的波长从而实现滤波，APD芯片设置于F‑P腔滤波标准具接收端，将滤波后的光信号转换为电信号，本发明装置在TWDM‑PON中应用时，易于形成产业化，且体积较小，成本较低。

Description

一种应用于TWDM-PON系统的可调光接收机及其可调滤波器

技术领域

本发明涉及一种光滤波器，特别是涉及一种应用于TWDM-PON系统的可调光接收机及其可调滤波器，本发明属于光通信领域。

背景技术

随着信息传输带宽的需求一直在以爆炸的速度增长。为满足网络流量的飞速发展，在骨干层网络，40Gbps、100Gbps光网络已经开始商用部署，400Gbps或1Tbps光通信系统也开始研究。在接入网络层面，也必然对网络流量和多业务支持提出了更高要求。目前接入网主要以树形结构的无源光网络PON技术为主，基于时分复用的无源光网络TDM-PON(timedivision multiplexing-Passive optical network)应用较广泛。EPON(EthernetPassive Optical Network)和GPON(Gigabit-Capable passive optical network)技术是当前FTTH网络建设的主要手段。但已经不能适应目前接入网对信息速率的需求。为此下一代PON技术已经被业界所广泛关注。且业界认为NG-PON的技术演进有3个方面：1单波长提高速率；2采用波分复用技术；3采用正交频分复用技术。

三种技术均可有效解决未来市场的带宽瓶颈问题，但也各有其急需解决的难题，如第一种提高单波长速率必将引起更大的线路色散。第三种正交品分复用技术则对DSP(digital signal processing)技术提出了新的要求。相对而言，第二种采用波分技术更加容易实现，技术壁垒较低，成本相对较低。基于此，2012年4月FSAN(Full Service AccessNetworks)峰会最终确定TWDM-PON为下一代PON产品最终解决方案。但即使作为TWDM-PON，其同样有亟待解决的技术问题，即ONU模块必需具有波长可调的接收功能，换言之就是需要在ONU模块内部集成一个低成本的可调滤波器。

波长可调的滤波器作为光通信常用器件，已被广泛研究。但其通常成本较高，结构复杂，体积和技术难度都比较大，并不适用于TWDM-PON中ONU模块每家每户的应用要求。

如中国专利201410126919.5“一种应用于TWDM-PON可调接收的光滤波器”，其引入马达作为驱动原件，WDM滤波片作为滤波原件，进行滤波，虽实现了较好的带宽及隔离度指标，但受限于马达及滤波片的尺寸，无法实现较小的尺寸，集成度不高。

另如美国专利WO2005036239A2“Tunable filter membrane structures andmethod of making”，其采用沉积的方式实现滤波介质膜，并采用对膜系加热的方式实现波长可调。这种方式不但难于掌握，且对设备的依赖性极高，不利于批量生产，并形成产业规模。

发明内容

本发明克服现有技术存在的困难，提出一种基于FP腔标准具的波长可调的光接收机及其可调滤波器，该可调光接收机和可调滤波器在TWDM-PON中应用时，易于形成产业化，且体积较小，成本较低。

本发明专利的技术方案是

一种应用于TWDM-PON系统的可调光接收机，包括设置于封装盒体内的入射准直装置、F-P腔滤波标准具、驱动装置、APD芯片，F-P腔滤波标准具由两个或两个以上的自由空间光谱宽度相同的F-P腔滤波标准具组合；光信号由准直装置进入F-P腔滤波标准具，驱动装置调节F-P腔滤波标准具的工作波长达成一致,并且调节F-P腔滤波标准具至TWDM-PON下行信号的波长从而实现滤波，APD芯片设置于F-P腔滤波标准具接收端，将滤波后的光信号转换为电信号。

所述驱动装置采用压电陶瓷，压电陶瓷同F-P腔滤波标准具相连接进行调节各个F-P腔滤波标准具的腔长。

所述驱动装置采用MEMS驱动单元，MEMS驱动单元同F-P腔滤波标准具相连接进行调节各个F-P腔滤波标准具的腔长。

所述驱动装置采用TEC模块，F-P腔滤波标准具通过导热材料同TEC模块相导通，实现同步调节各个F-P腔滤波标准具的透射峰波长。

所述F-P腔滤波标准具为第一滤波标准具和第二滤波标准具，所述驱动装置为第一压电陶瓷和第二压电陶瓷，第一滤波标准具与第一压电陶瓷连接，第一压电陶瓷粘接第一固定块固定于封装盒体底面；第二滤波标准具与第二压电陶瓷连接，第二压电陶瓷通过粘接第一固定块固定于封装盒体底面；第一压电陶瓷、第二压电陶瓷电压驱动实现第一滤波标准具、第二滤波标准具的厚度调节导致第一滤波标准具、第二滤波标准具的透射峰值波长。

所述F-P腔滤波标准具为第一滤波标准具(2-1)和第二滤波标准具，第一滤波标准具和第二滤波标准具分别通过导热的第一固定块，第二固定块固定于封装盒体，TEC模块固定于封装盒体。

一种应用于TWDM-PON系统的可调光接收机，其特征在于：所述F-P腔滤波标准具为第一滤波标准具和第二滤波标准具，所述驱动装置为第一MEMS驱动单元和第二MEMS驱动单元，第一滤波标准具与第一MEMS驱动单元连接，第一MEMS驱动单元粘接第一固定块固定于封装盒体底面；第二滤波标准具与第二MEMS驱动单元连接，第二MEMS驱动单元通过粘接第一固定块固定于封装盒体底面；第一MEMS驱动单元、第二MEMS驱动单元电压驱动实现第一滤波标准具、第二滤波标准具的厚度调节导致第一滤波标准具、第二滤波标准具的透射峰值波长。

所述F-P腔滤波标准具采用空气系标准具，空气系标准具前后两个表面的反射率以及相邻空气标准具表面之间的反射率相同。

所述F-P腔滤波标准具采用固体系标准具，固体系标准具前后两个表面的反射率以及相邻空气标准具表面之间的反射率相同。

所述第一滤波标准具、第二滤波标准具的FSR大于或者等于800GHZ。

一种应用于TWDM-PON系统的可调光滤波器，包括设置于封装盒体内的入射准直装置、F-P腔滤波标准具、驱动装置，F-P腔滤波标准具由两个或两个以上的自由空间光谱宽度相同的F-P腔滤波标准具组合；光信号由准直装置进入F-P腔滤波标准具，驱动装置调节F-P腔滤波标准具的工作波长达成一致,并且调节F-P腔滤波标准具至TWDM-PON下行信号的波长从而实现滤波。

所述F-P腔滤波标准具前后两个表面的反射率以及相邻F-P腔滤波标准具表面之间的反射率相同。

本发明专利的优点如下：

1、本发明装置所采用的标准具、准直器、APD等光器件均为小体积器件，易于实现集成封装，满足光接入网对ONU模块体积的严格要求；因为FP腔标准具、准直器，这些技术平台都已经很成熟，已为多数厂家所掌握，且FP腔标准具体积小、易集成，故该可调光接收机在TWDM-PON中应用时，易于形成产业化，且体积较小，成本较低。更易于被数以亿计的FTTH普通家庭用户所接受。

2、本发明装置所采用两个或多个大FSR的F-P腔标准具，实现对单一F-P腔标准具透射光谱带宽的调整，相对于单一F-P腔标准具，多个F-P腔标准具下带宽更窄，可以满足TWDM-PON对可调接收器件隔离度的要求；

3、本发明装置采用大FSR，F-P腔标准具作为滤波器件，可实现波长的连续调节，这样可实现多通道滤波，便于未来TWDM-PON，OLT下行信号波长间隔，即通道数量的进一步扩展；

4、本发明装置采用MEMS、压电陶瓷等驱动方法对标准具工作波长调节，可实现更快的调节时间。

附图说明

图1是本发明第一实施例的压电陶瓷驱动可调光接收机结构示意图；

图2是本发明第一实施例的压电陶瓷驱动可调光接收机光路示意图；

图3是本发明经过滤波标准具的理论光谱示意图；

图4是本发明第一实施例的可调光接收机在TWDM-PON应用示意图；

图5是本发明第二实施例的TEC驱动可调光接收机结构示意图；

图6是本发明第三实施例的MEMS驱动可调光接收机结构示意图；

其中：

1、入射准直器； 2-1、第一滤波标准具；

2-2、第二滤波标准具； 3、APD芯片；

4-1、第一压电陶瓷； 4-2、第二压电陶瓷；

5-1、第一固定块； 5-2、第二固定块；

6、封装盒体； 7-1、第一固定块；

7-2、第二固定块； 8-1、第一MEMS驱动单元；

8-2、第二MEMS驱动单元；

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。

一种可调光接收机，包括FP腔滤波标准具、驱动装置、入射准直装置、APD芯片，准直装置用于光信号输入，FP滤波腔标准具采用多个，即包括两个或两个以上，以实现对FP腔滤波标准具透射光谱带宽的调整，以满足FSAN规定对TWDM-PON可调接收机工作带宽的要求，各个标准具的自由空间光谱宽度FSR一致，经驱动部分调节后的工作波长一致用于实现滤波，TO封装的APD芯片，其可将滤波后的光信号转换为电信号。所述驱动部分使用MEMS(Micro-electrical Mechanical System)或压电陶瓷同时调节各个F-P腔滤波标准具腔长，使各个F-P腔滤波标准具工作波长相同，且为FSAN规定的TWDM-PON下行信号规定波长，实现对OLT下行信号的滤波。所述驱动部分或为TEC，其对整个器件进行温控，由于固体系标准具所存在的热光效应，可实现各个标准具工作波长实现同时调节，调整至FSAN规定的TWDM-PON下行信号规定波长时，就可以实现对OLT下行信号的滤波。本发明可调光接收机用于有多波长光信号输入的情况下，在保证信号质量前提下，将其中一个波长的光信号滤出，并将其进行光电转换或不做光电转换直接输出。

本发明涉及一种基于标准具，准直器等成熟光学技术的可调光接收机，具有成本低、体积小、可连续调节等技术优点。包括两个或多个F-P腔滤波标准具、准直器、APD芯片，MEMS或压电陶瓷驱动等多个组成部分。所述两个或多个F-P腔滤波标准具，其厚度完全相同，即具有相同的自由空间光谱宽度FSR，且镀膜特性一致，即具有完全的相同的透射和反射特性，且各个F-P腔滤波标准具的入射、出射两面具有相同的透射、反射特性，具体的讲，在TWDM-PON可调接收器件所要求光谱特性下，即3dB带宽≥0.35nm，25dB带宽≤1.2nm，FSR>800GHZ的要求下，单个F-P腔滤波标准具无论怎样改变其相关参量都无法满足其相关光谱特性，但如采用两个或多个F-P腔滤波标准具，使其透射谱线进行“叠加”则可以满足其光谱特性要求，所述准直器为光通信常用光学元件，其工作波段视具体需求而定，如在TWDM-PON可调接收应用中，其工作波长段应覆盖OLT(Optical Line Terminal)下行信号光波长，其工作距离及光斑大小视具体光路要求而定。所述APD芯片，可视具体需要灵活选择其封装方式，其作用是将经TFF滤波片滤波后的光信号接收，并将其转换为一定强度的电流，便于后续的信号传输及处理。

实施例1：

以FSR为800GHZ,压电陶瓷驱动可调光接收机为例，如图1所示，封装盒体6内包括入射准直器1、第一滤波标准具2-1、第二滤波标准具2-2、封装后的APD芯片3，第一压电陶瓷4-1、第二压电陶瓷4-2、第一固定块5-1、第二固定块5-2，其中入射准直器1与封装后的APD芯片3对准，并实现光路耦合。第一滤波标准具2-1与第二滤波标准具2-2为空气系标准具，位于入射准直器1与封装后的APD芯片3之间，其厚度相同，FSR均为800GHZ，两个标准具前后两个表面的反射率相同，两个标准具之间的表面反射率相同，即两个标准具共四个面的反射率均相同，例如均为0.8。第一滤波标准具2-1的一边与第一压电陶瓷4-1连接，并通过粘接第一固定块5-1固定于封装盒体6底面，同样的，第二滤波标准具2-2的一边与第二压电陶瓷4-2连接，并通过粘接第二固定块5-2固定于封装盒体6底面。第一压电陶瓷4-1、第二压电陶瓷4-2可电压驱动实现第一滤波标准具2-1、第二滤波标准具2-2的厚度调节，厚度调节导致第一滤波标准具2-1、第二滤波标准具2-2的自由空间光谱宽度FSR的变化。实现可调滤波。本实施例中的两个空气系标准具，驱动装置通过调节标准具厚度d来实现自由空间光谱宽度FSR的调节。

本实施例中，光路示意图如图2所示，自入射准直器1光纤入射的多波长光信号，经入射准直器1后成为准直光，该准直光经过第一滤波标准具2-1，而后经过第二滤波标准具2-2，经过第一滤波标准具2-1前，及经过第二滤波标准具2-2后的理论光谱分别如图3中的实线和虚线。显然，经过两个相同滤波标准具后的透射光谱，其下带宽更窄，可以满足TWDM-PON对相邻通道隔离度的要求，该空气系标准具的制备方式为业内所共知，自第二滤波标准具2-2输出的滤波后的光信号为该单波长信号被封装后的APD芯片3所接收，并转换为电流信号，该APD芯片的封装方式为业内所共知，常用的是如图2中的TO封装方式。

以在TWDM-PON中的应用为例，本发明第一实施例实现功能的具体过程如图4：在TWDM-PON的应用中，自OLT输入的下行业务信号由8个波长的业务信号组成，其波长分别为1596.34nm、1597.19nm、1598.04nm、1598.89nm、1599.75nm、1600.60nm、1601.46nm、1602.31nm。该OLT下行业务信号经ODN分为64个光强相等的信号，然后分别入射至64个可调接收的ONU模块。以可调接收的可调接收ONU模块1为例。模块内将集成本发明第一实施例所描述的可调光接收机，切换该可调光接收机的滤波波长，由于其800G的FSR，可单独选择8个波长中任意波长信号与本地通信，可调光接收机的带宽及隔离度指标良好，如图3虚线。且鉴于TWDM-PON已确认为下一代PON产品主流解决方案，及其在FTTH领域的巨大市场，必将推动该可调光接收机的产业化。

实施例2

如图5所示，设置于封装盒体6内的包括入射准直器1、第一滤波标准具2-1、第二滤波标准具2-2，封装后的APD芯片3，粘接第一固定块7-1、粘接第二固定块7-2，其中入射准直器1与封装后的APD芯片3对准，并实现光路耦合。第一滤波标准具2-1与第二滤波标准具2-2为固体系标准具，位于射准直器1与封装后的APD芯片3之间，其厚度相同，FSR均为800GHZ，两个标准具前后两个表面的反射率相同，两个标准具之间的表面反射率相同，即两个标准具共四个面的反射率均相同，如均为0.8。固体系标准具的材料可以采用硅等高热光系数通光材料。第一滤波标准具2-1通过粘接第一固定块7-1固定于封装盒体6底面，同样的，第二滤波标准具2-2，通过粘接第二固定块7-2固定于封装盒体6底面。第一固定块7-1、第二固定块7-2为导热材料，第一固定块7-1、第二固定块7-2分别与第一滤波标准具2-1、第二滤波标准具2-2通过导热胶连接，TEC模块8固定于封装盒体6，用于调节整个封装盒体6温度，并间接调节第一滤波标准具2-1、第二滤波标准具2-2的温度，利用热光效应可实现第一滤波标准具2-1、第二滤波标准具2-2的FSR同步调节，即透射峰值波长同步调节。实现整个可调接收器件工作波长的可调。热光效应为术语性名词，其特指介质温度变化造成滤波标准具的折射率变化，折射率变化即为光程变化(P＝n*d，n为折射率，d为介质厚度,P为光程)，光程的变化导致FSR的变化。

实施例3

如图6所示，将实施例1中的第一压电陶瓷4-1、第二压电陶瓷4-2分别置换为第一MEMS驱动单元8-1、第二MEMS驱动单元8-2，其余部分不变。即：第一滤波标准具2-1一边与第一MEMS驱动单元8-1连接，并通过粘接第一固定块5-1固定于封装盒体6底面，第二滤波标准具2-2的一边与第二MEMS驱动单元8-2连接，并通过粘第二固定块5-2固定于封装盒体6底面。这一实施例中，采用第一MEMS驱动单元8-1、第二MEMS驱动单元8-2分别驱动第一滤波标准具2-1、第二滤波标准具2-2的厚度调节，进而调节其透射峰值波长FSR，实现整个可调接收机的工作波长可调。

本发明实施例中的气体标准具、固体标准具均是F-P腔滤波标准具，区别在于形成F-P腔的介质不同。本发明实施例中第一滤波标准具2-1、第二滤波标准具2-2的自由空间光谱宽度FSR一般采用大于或者等于800GHZ。

本发明还有一个实施例变形，在实施例1、实施例2、实施例3中的APD芯片不设置于F-P腔滤波标准具接收端，不做光电转换直接输出，此时这种结构装置就成为一种应用于TWDM-PON系统的可调光滤波器，可调光滤波器包括设置于封装盒体内的入射准直装置、F-P腔滤波标准具、驱动装置，F-P腔滤波标准具是两个或两个以上，F-P腔滤波标准具的自由空间光谱宽度FSR一致；光信号由准直装置进入F-P腔滤波标准具，驱动装置调节F-P腔滤波标准具的工作波长达成一致,并且调节F-P腔滤波标准具至TWDM-PON下行信号的波长从而实现滤波。

以上所述实施例及应用场景仅为本发明的较佳实施例及应用场景而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进及其在其他领域及场景的应用，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种应用于TWDM-PON系统的可调光接收机，其特征在于：包括设置于封装盒体内的入射准直装置、F-P腔滤波标准具、驱动装置、APD芯片，F-P腔滤波标准具由两个或两个以上的自由空间光谱宽度相同的F-P腔滤波标准具组合而成；光信号由准直装置进入F-P腔滤波标准具，驱动装置调节每个F-P腔滤波标准具的工作波长达成一致，并且调节F-P腔滤波标准具至TWDM-PON下行信号的波长从而实现滤波，APD芯片设置于F-P腔滤波标准具接收端，将滤波后的光信号转换为电信号。

2.根据权利要求1所述的一种应用于TWDM-PON系统的可调光接收机，其特征在于：所述驱动装置采用压电陶瓷，压电陶瓷同F-P腔滤波标准具相连接进行调节各个F-P腔滤波标准具的腔长。

3.根据权利要求1所述的一种应用于TWDM-PON系统的可调光接收机，其特征在于：所述驱动装置采用MEMS驱动单元，MEMS驱动单元同F-P腔滤波标准具相连接进行调节各个F-P腔滤波标准具的腔长。

4.根据权利要求1所述的一种应用于TWDM-PON系统的可调光接收机，其特征在于：所述驱动装置采用TEC模块，F-P腔滤波标准具通过导热材料同TEC模块相导通，实现同步调节各个F-P腔滤波标准具的透射峰波长。

5.根据权利要求2所述的一种应用于TWDM-PON系统的可调光接收机，其特征在于：所述F-P腔滤波标准具为第一滤波标准具(2-1)和第二滤波标准具(2-2)，所述驱动装置为第一压电陶瓷(4-1)和第二压电陶瓷(4-2)，第一滤波标准具(2-1)与第一压电陶瓷(4-1)连接，第一压电陶瓷(4-1)粘接第一固定块(5-1)固定于封装盒体底面；第二滤波标准具(2-2)与第二压电陶瓷(4-2)连接，第二压电陶瓷(4-2)通过粘接第二固定块(5-2)固定于封装盒体底面；第一压电陶瓷(4-1)、第二压电陶瓷(4-2)电压驱动实现第一滤波标准具(2-1)、第二滤波标准具(2-2)的厚度调节导致第一滤波标准具(2-1)、第二滤波标准具(2-2)的透射峰值波长变化。

6.根据权利要求4所述的一种应用于TWDM-PON系统的可调光接收机，其特征在于：所述F-P腔滤波标准具为第一滤波标准具(2-1)和第二滤波标准具(2-2)，第一滤波标准具(2-1)和第二滤波标准具(2-2)分别通过导热的第一固定块(7-1)，第二固定块(7-2)固定于封装盒体，TEC模块(8)固定于封装盒体。

7.根据权利要求3所述的一种应用于TWDM-PON系统的可调光接收机，其特征在于：所述F-P腔滤波标准具为第一滤波标准具(2-1)和第二滤波标准具(2-2)，所述驱动装置为第一MEMS驱动单元(8-1)和第二MEMS驱动单元(8-2)，第一滤波标准具(2-1)与第一MEMS驱动单元(8-1)连接，第一MEMS驱动单元(8-1)粘接第一固定块(5-1)固定于封装盒体底面；第二滤波标准具(2-2)与第二MEMS驱动单元(8-2)连接，第二MEMS驱动单元(8-2)通过粘接第二固定块(5-2)固定于封装盒体底面；第一MEMS驱动单元(8-1)、第二MEMS驱动单元(8-2)电压驱动实现第一滤波标准具(2-1)、第二滤波标准具(2-2)的厚度调节导致第一滤波标准具(2-1)、第二滤波标准具(2-2)的透射峰值波长变化。

8.根据权利要求5或7所述的一种应用于TWDM-PON系统的可调光接收机，其特征在于：所述F-P腔滤波标准具采用空气系标准具，空气系标准具前后两个表面的反射率以及相邻空气标准具表面之间的反射率相同。

9.根据权利要求6所述的一种应用于TWDM-PON系统的可调光接收机，其特征在于：所述F-P腔滤波标准具采用固体系标准具，固体系标准具前后两个表面的反射率以及相邻空气标准具表面之间的反射率相同。

10.根据权利要求5或6或7所述的一种应用于TWDM-PON系统的可调光接收机，其特征在于：所述第一滤波标准具(2-1)、第二滤波标准具(2-2)的FSR大于或者等于800GHZ。

11.一种应用于TWDM-PON系统的可调光滤波器，其特征在于：包括设置于封装盒体内的入射准直装置、F-P腔滤波标准具、驱动装置，F-P腔滤波标准具采用两个或两个以上的自由空间光谱宽度一致的F-P腔滤波标准具组合；光信号由准直装置进入F-P腔滤波标准具，驱动装置调节每个F-P腔滤波标准具的工作波长达成一致，并且调节F-P腔滤波标准具至TWDM-PON下行信号的波长从而实现滤波。

12.根据权利要求11所述的一种应用于TWDM-PON系统的可调光滤波器，其特征在于：所述F-P腔滤波标准具前后两个表面的反射率以及相邻F-P腔滤波标准具表面之间的反射率相同。